استفاده از الياف در آسفالت

استفاده از الیاف در آسفالت

امروزه راه یکی از عوامل مهم در ارتباط و انتقال مسافران و بارها می‌باشد و از  عوامل مهم روز است كه بحث های بسیاری دارد و كنفرانس های مختلفی در رابطه با آن برگزار می شود.

در راه ها با آمد و شد زیاد ،در رویه راه از مصالح قیری یا سیمانی استفاده می شود .كه در اثر اعمال بار این نوع رویه ها دچار تغییر شکل هایی می شود که باعث ایجاد تنشهای کششی افقی در لایه روسازی می شود كه اگر این تنشها از میزان استقامت کششی مصالح بیشتر باشد باعث ایجاد ترک می گردد.

یکی از روشهای مهم برای كاهش و كنترل عرض ترك های حاصل از كشش مستقیم استفاده از الیاف است.

به منظور ایجاد شرایط ایزوتروپ و به منظور ایجاد سیستمی که بتواند در تمام جهات به طور تقریبا یکنواخت سبب افزایش نرمی شده و مقاومت کششی را نیز حفظ كند ،استفاده از رشته های نازك و كوتاه كه به صورت تصادفی در تمام جهات در آسفالت توزیع شود .روش مناسبی به نظر می رسد .این رشته نازك ،الیاف نامیده می شوند كه دارای انواع و شکلهای مختلف بوده و کاربردهای متعددی دارند. از جمله آنها الیاف فولادی ،پلیمری ،شیشه‌ای و … می باشد .

تركها در آسفالت:

ترک موزاییکی ( پوست ماری – سوسماری ):

این ترك به علت داشتن شباهت به پوست بدن سوسمار به این نام شناخته شده است .

این خرابی با ترك خوردن تمام و یا قسمتی از سطح رویه آسفالتی به شكل نسبتا كوچك چند ضلعی ظاهر می‌شود كه با تكرار بار گذاری بر وسعت آن افزوده می شود .

علت به وجود آمدن این نوع تركها تغییر شكل یا خستگی بیش از حد در اثر بارگذاری بر روی لایه ها می باشد و معمولا در روسازیهای كه بر روی لایه های اساس و زیر اساس كه تراكم  کافی نداشته و یا خاکهایی که دارای تغییر شکل زیاد و مقاومت کم می باشند ایجاد می شوند .

ترك برشی (كناری ):

این تركها به موازات محور طولی راه و به فاصله کمی از روسازی بوجود می آیند این نوع تركها ممكن است علاوه بر ترکهای طولی دارای ترکهای عرضی نیز باشند كه معمولا یك یا چند ترك طولی را قطع كرده و به روسازی منتهی می گردد.

علت بوجود آمدن این تركها میتواند فقدان پایداری و استقامت برشی خاك یا مصالح كناره های روسازی باشد كه عدم تراكم محل کنده شده و عبور وسایل نقلیه به فاصله كم از محل کنده شده باعث تغییر شکل جانبی خاک و ایجاد ترک می شود .

ترکهای انقباضی :

این ترك در اثر تغییر حجم و جمع شدن رویه در اثر افت دمای محیط می باشد كه معمولا عرضی بوده و گاهی به شكل مجموعه ای از ترکهای به هم پیوسته كه قطعات بزرگی را تشکیل میدهند وجود دارند تفاوت بین این ترك و ترك موزاییکی این است که در این ترك سطح رویه به قسمتهای بزرگتری تقسیم شده و در گوشه ها تیزتر می باشد .

علت بوجود آمدن این تركها استفاده قیر سفت در منطقه آب و هوایی خاص می باشد .

ترکهای بین دو خط:

این تركها همان درزهای طولی بین خطوط راه هستند كه به دلیل اجرای غیر همزمان رویه آسفالتی خطوط مجاور بوجود می آیند كه به علت اجرای نادرست رویه در آنها باز مانده و با ورود آب شاهد خرابی بیشتری خواهیم بود همچنین این خرابی بین خط کناری و شانه آسفالتی راه ممكن است بوجود آید.

ترکهای انعکاسی :

این تركها در سطح روکش آسفالتی و در محل تركهایی كه در سطح روسازی قدیمی بوده بوجود می آید، كه علت آن حركات قائم و افقی لایه واقع در زیر روکش آسفالتی است .

ترکهای هلالی :

این تركها در مسیر حرکت وسایل نقلیه به علت وارد شدن نیروهای شدید افقی (ترمز كردن )در سطح رویه آسفالتی بوجود می آید كه علت آن میتوان فقدان چسبندگی بین لایه رویه آسفالتی و لایه زیرین آن باشد .

مواد افزودنی و تأثیر آن در آسفالت:

مهمترین فواید مواد افزودنی  :

1)کاهش قیمت  2)كم شدن ضخامت لایه های آسفالتی  3)كم شدن مرمت های روزمره و طولانی شدن فواصل بین بهسازی رویه های آسفالتی  4)بالا رفتن فشار مجاز آسفالت  5)بكار گرفتن تولیدات جدید صنعتی و وسایل جدید در تولید و اجراء  6)بكار گرفتن ضایعات صنایع و بهداشت محیط زیست

تقسیم بندی مواد افزودنی  :

• پركننده ها 
• مواد جایگزین شونده
• مواد رشته ای یا الیاف
•  اكسید كننده‌ها 
• اکسید شونده‌ها
• مشتقات نفتی یا هیدروكربن‌ها
•  اتصال دهنده‌ها 
• لاستیکها و پلاستیکها یا پلیمر‌ها 
• چگونگی تنش در ترك

 

آسفالت الیافی:

تولید آسفالت الیافی :

افزایش نسبت ظاهری ( l/d )موجب تجمع و درگیری رشته های الیافی در یکدیگر می گردد برای مخلوط یکنواخت ،نسبت ظاهری حداكثر به عدد 100 محدود می شود .

چنانچه درصد حجمی الیاف از 2 درصد افزایش یابد مشکلاتی در كیفیت آسفالت پدید می آید .

خصوصیات فیزیکی مصالح

0.35 =υ آسفالت

0.35 =υ خاك

تواتر بارگذاری 5HZ و در دمای 20C

ضریب سختی مخلوط آسفالت ماكادام متراكم (pa)3.1*10^9

ضریب سختی مخلوط رولد آسفالت (pa)3.5*10^9

معیار خستگی

ضریب سختی مخلوط آسفالت ماكادام متراكم(با قیر 100 )

< dir=”RTL” >LogNf=-9.38-(4.16LogEr)ضریب سختی مخلوط رولد آسفالت (با قیر 50 )

< dir=”RTL” >LogNf=-9.38-(4.16LogEr)Er كرنش كششی در زیر لایه آسفالت تحت بار چرخ استاندارد

Nf عمر طراحی (مجموع بارهای محور معادل استاندارد)

مزایای آسفالت الیافی :

•  مقاومت در مقابل تورق ، سایش و هوازدگی سطح
•  مقاومت زیاد در مقابل تنش های خستگی
•  مقاومت بسیار عالی در مقابل ضربه
•  قابلیت کششی عالی ( ظرفیت زیاد تغییر شکل نسبی )
•  قابلیت باروری زیاد بعد از ترك خوردگی
•  مقاومت کششی ، خمشی و برشی زیاد
•  طاقت خیلی زیاد

قابلیت انعطافی كه آسفالت الیافی دارد ، همانند خواص مواد پلاستیکی باعث میشود که آسفالت الیافی گسیختگی ناگهانی نداشته باشد . از آنجا كه الیاف فولادی در جسم آسفالت به طور سه بعدی به بیان بهتر چند بعدی پراكنده می شود . در صورت تشكیل یك ترك ،در جهات مختلف ،الیاف اتصالاتی را به وجود می آورد و از گسترش ترك جلوگیری می نماید .بنابراین ،رشته های الیاف به طور فعال در محدود كردن عرض تركها وارد عمل شده و به تشکیل ریز ترک های زیاد همکاری می نماید و در نتیجه قابلیت بهره برداری آسفالت را افزایش می دهد . این مورد به ویژه در دال های مهار شده ،همانند روسازیهای آسفالتی كه در آنها اصطكاك بستر مانع انقباض و انبساط می شود ،شدیدا به چشم میخورد.

شایان ذكر است كه عملكرد الیاف فولادی و بهبود خواص مكانیكی در آسفالت ،به عوامل زیادی از قبیل طرح اختلاط جنس الیاف ،مقدار الیاف ،شكل الیاف ،نسبت ظاهری (l/d ) و … وابسته است .

کاربریهای آسفالت الیافی :

باند فرودگاه و راهسازی

یك باند مناسب برای فرود هواپیما و مقابله با شرایط جوی و اثر ضربه ایجاب می نماید که باند پرواز نرم پرطاقت و ضربه پذیر باشد لذا بكاربری الیاف در رویه باند فرودگاه بسیار مناسب می‌باشد.

جاده و بزرگراه

در طرح جاده ها و بزرگراههای پر ترافیک جایگزینی الیاف بسیار مقرون به صرفه و اقتصادی خواهد بود زیرا موجب كاهش ضخامت آسفالت ریزی ،كاهش عرض ترکهای ناشی از جمع شدگی و كنترل عرض ترك های انقباضی و انبساطی می شود . همچنین موجب افزایش مقاومت روسازی در برابر ضربه ،خستگی و كاهش آثار مخرب عوامل جوی میباشد ضمن اینکه در پلها و عرشه اسكله ها موجب كاهش بار مرده به علت كم شدن ضخامت دال ،جلوگیری از تغییر شکل رویه و کاهش تنشهای حرارتی و مقاومت در برابر خوردگی و فرسودگی خواهد شد .

الیاف فولادی:

از پرمصرف ترین و بهترین نوع الیاف ،الیاف فولادی است كه به  دلیل شكل پذیری ،تأمین گیرداری در جسم آسفالت و مقاومت كششی مطلوب ،نظر اكثر طراحان را به خود جلب كرده است .از آنجا كه در ایران الیاف فولادی تولید و یا وارد نمی شوند ،اغلب مهندسان و مشاوران از این فن آوری بی اطلاع و یا كم اطلاع بوده و همچنین به دلیل مشكلات تهیه آن ، از قبیل ارزبری ،هزینه حمل ،حقوق گمرکی و … در ردیف کالاهای گران قیمت به حساب می‌آید و اقتصادی نیست . برای رفع این مشکل مركز تحقیقات ساختمان و مسكن ،اقدام به ساخت نوعی الیاف فولادی موجدار نموده كه از مفتول های داخلی ساخته شده است.

الیاف فولادی به طور تصادفی در تمام جهات آسفالت پخش می‌كنند.

با استفاده از الیاف فولادی میتوان ترکهای حاصل از كشش مستقیم را كنترل كرد. زیرا پس از ترك خوردن آسفالت ،سریعا الیاف به عنوان پل ارتباطی بین دو قطعه جدا شده عمل كرده و نیروهای کششی را انتقال میدهند و یکپارچگی قطعه تضمین می گردد . به همین جهت تعداد تركها  در آسفالت افزایش یافته ولی طول ،عرض و عمق آنها بشدت تقلیل می یابد.

خواص الیاف فولادی :

شكل الیاف

شكل الیاف یکی از پارامترهای موثر در کیفیت آسفالت الیافی است . به عنوان مثال ،مقاومت خمشی مشخص را میتوان با افزودن یک درصد الیاف با انتهای خمیده در مقایسه با 1.5  درصد الیاف ساده به دست آورد. یعنی حدود  50 درصد در مقدار الیاف صرفه جویی می شود .

همچنین سطح زیر منحنی بار ،تغییر شكل در الیاف قلابدار بسیار بیشتر خواهد بود كه نشانه جذب انرژی بیشتر است .

 

 

جدول 1- تاثیر شکل پذیری الیاف فولادی بر روی میزان چسبندگی آسفالت و الیاف

نما و مقطع	متوسط تنش بیرون کشیدن الیاف	مقاومت الیاف	طول	قطر	شكل الیاف
	4.17	1205	متغییر	0.3	مستقیم و ساده
	8.1	955	30	0.5	مستقیم و دندانه دار
	4.93	1355	40	0.4	قلابدار
	5.25	1295	30	0.35	موجدار ریز
	13.4	1615	25	0.4	موج دار درشت
	7.27	510	14.5	0.3 * 0.4	دم پهن

نسبت ظاهری الیاف

نسبت ظاهری و یا نسبت طول به قطر الیاف یكی از پارامترهای مهم در عملكرد الیاف محسوب می‌شود به طوری كه وقتی الیاف در مخلوط آسفالت تحت با قرار می‌گیرند،چنانچه طول الیاف از طول بحرانی LC كمتر باشد . به دلیل از دست دادن خاصیت پیوستگی از مخلوط جدا شده و بیرون کشیده می شود و چنانچه طول الیاف از طول بحرانی بیشتر باشد ،الیاف به حد جاری شدن می‌رسد و گسیخته می‌شود . برای حالتی که طول الیاف برابر طول بحرانی باشد ،تنش کششی الیاف) σ) و مقاومت برشی (τ)حاصل از تعادل نیروها بدین صورت است

   (3)        f/τ=2 . Lc/d σ

چنانچه رابطه فوق نشان می دهد تنش مقاوم الیاف و در نتیجه مقاومت پذیری آن ، رابطه مستقیمی با نسبت ظاهری دارد ولیکن باید توجه داشت كه افزایش نسبت ظاهری موجب كاهش كارایی و توده شدن الیاف و افت كیفیت آسفالت می شود ،لذا با استفاده از آزمایشهای تجربی می توان نسبت ظاهری بهینه را به دست آورد .

شیوه قرارگیری الیاف :

نحوه جایگیری الیاف در محور ترك برای انتقال نیرو در سطح ترك بسیار موثر است و الیاف عمود بر سطح ترك بیشترین کارایی را خواهد داشت .البته جایگیری الیاف در آسفالت به صورت كاملا تصادفی است كه در روسازی راه و فرودگاه ها لازم است الیاف در دو بعد طول و عرض و به موازات محور افقی كه در واقع در جهت تنش های کششی وارده می باشد توزیع باید گردد.

ضریب ارتجاعی الیاف:

در ترکیبهای تحت بار ،هر اندازه كه ضریب ارتجاعی بیشتر باشد ، تنشی كه مخلوط تحمل می کند بیشتر است و این امر در صورتی امکان پذیر است كه بین الیاف و آسفالت پیوستگی وجود داشته باشد . قابل ذكر است هر چه ضریب ارتجاعی الیاف بالاتر باشد ظرفیت باربری مقطع بیشتر می باشد .

 

مقاومت استاتیکی الیاف فولادی:

مقاومت فشاری :‍

از آنجا كه آسفالت فشار پذیر است و دستیابی به مقاومت فشاری مشخص با تغییر در طرح اختلاط مقدور است ،استفاده از الیاف بهبود این خاصیت نخواهد بود ولی ذكر است الیاف فولادی مقاومت فشاری آسفالت را افزایش می دهد.

مقاومت كششی :

با توجه به اینکه آسفالت در کشش ضعیف است چنانچه الیاف فولادی به طور پیوسته و در جهت اعمال تنش های کششی قرار گیرند ،مقاومت کششی آسفالت را می‌افزاید و این در صورتی است كه الیاف آسفالتی كاملا اتفاقی و به صورت رندم در آسفالت قرار می‌گیرد .البته مقدار دقیق افزایش مقاومت به شكل ،نوع،اندازه و سایر مشخصات الیاف بستگی دارد.

مقاومت خمشی :

الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت خمشی آسفالت دارد. مقاومت کششی مصالح آسفالتی در دمای 20 c برای مدت بارگذاری برابر 50 میلی ثانیه (سرعت 90 km /hr ) تقریبا بین 21- 35 kg/cm^2

مقاومت برشی :

الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت برشی آسفالت دارد.

مقاومت خستگی :

الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت خستگی دارد.خستگی آسفالت و جاده به دلیل اثرات ناشی از افزایش زیان های رطوبتی به مقدار قابل ملاحظه ای کاهش می یابد.لایه های ضخیم آسفالت در حالت كنترل تنش و لایه های نازك آسفالت در حالت كنترل کرنش تحت افزایش دما شکنندگی لایه نازک کمتر شده و باعث افزایش عمر خستگی ولی در حالت تنش ثابت كرنش در ادامه بارگذاری افزایش می‌یابد با افزایش دما كاهش عمر خستگی را داریم.

مقاومت دینامیکی:

الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت دینامیکی آسفالت دارد.

مقاومت ساییدگی:

الیاف فولادی اثر قابل توجهی در مقاومت ساییدگی آسفالت دارد.

ژئوگریدها:

ژئوگریدها موادی شبكه مانند هستند كه دارای سوراخهای بزرگ است . فاصله بین سوراخهای در حدود 1 تا 10 سانتی متر (فاصله بین الیاف طول و عرض ) است .

انواع ژئوگرید های موجود در دنیا:

1-tensarcorp

2- tenax corp 

3-paragraphs

4- tiragrids

5-fortral

6-maxtrex

7-stratagrid

8-othergrids

از میان این ژئوگریدها نوع پنج در ایران موجود می باشد . این نوع ژئوگریدها ساخت كشور آلمان است و در دو نوع Fortrac و Hatelit ساخته می شوند كه نوع اول برای مسلح كردن خاك و نوع دوم برای مسلح کردن آسفالت بکار می رود .

هر دو نوع ژئوگرید از الیاف تابیده شده پلی استر سخت بافته می شوند و در محل اتصال به هم وصل می شوند و یك پوشش کلرید پلی وینیل (P.V.C) یا مواد قیری در نهایت داده می شود از كاربردهای این نوع ژئوگریدها درایران میتوان مسلح کردن آسفالت پل فولادی نصر ،كالج و صدر را نام برد كه از نوع Hatelit برای این كارها استفاده شده است و از نوع Fortrac برای احداث دیوار حائل پارك نمایشگاه تهران استفاده شده است .

مسلح كردن لایه اساسی جاده ها با روكش آسفالتی:

در جاده های با روكش آسفالت اگر بخواهند ژئوگرید را در قسمت اساس استفاده نمایند تحقیقات نشان داده است كه باید ژئوگرید را در قسمت میانی لایه اساس قرارداد .البته گراف هایی در این زمینه وجود دارد كه با داشتن ضخامت غیر مسلح لایه خاکریز می توان ضخامت مسلح   شده با نوع خاص ژئوگرید را بدست آورد . البته این گرافها برای همه انواع ژئوگریدها موجود نیست.

مسلح كردن قسمت اساسی جاده ها بدون روكش آسفالت:

كاربرد عمده ژئوگرید در مسلح كردن خاك های نرم یا فشرده بستر برای جاده های سنگدانه‌ای بدون روکش آسفالتی است . در این مورد نیاز موفقیت هایی دیده شده است ،از جمله مسلح كردن خاك باعث افزایش مقاومت باربری خاک زیر اساس ،توزیع بهتر بار در خاك و كنترل ترك در خاك می شود .

(زمانی كه اختلاف لایه ها قبل از مسلح و بعد از مسلح کردن در مقایسه با هزینه نصب و اجراء ژئوگرید بیشتر باشد بهتر است از ژئوگرید استفاده شود.)

 فواید ژئوگرید ها :

• كاهش ضخامت لایه خاکریز در جاده ها
• باعث افزایش عمر و دوام آسفالت و خاکریزی در مقابل عوامل محیطی و بارگذاری می شود

کاربردهای ژئوگرید :

زیر مصالح شن و ماسه در جاده های پوشش نشده زیر بازالت در ساختمان راه آهن زیر مصالح سربار یا سازه های خاکی مسلح سازی خاکریزها و سدهای خاکی تعمیر خرابی شیروانیها به عنوان گابیون در ساختمان دیوارها به عنوان گابیون در سازه های کنترل فرسایش به عنوان گابیون در جانب پله به عنوان صفحات گیردار برای سطوح دیوار حائل به عنوان آسفالت مسلح در روسازی راه به عنوان مسلح كردن بتن در کارهای گوناگون برای مسلح کردن قسمتهای سنگ ترك دار برای مسلح کردن قسمتهای بتن ترك دار landfill برای مسلح کردن جهت توسعه عمودی و جانبی landfill برای مسلح کردن پوشش به عنوان مسلح كننده روكش landfill به عنوان لایه های 3 بعدی برای افزایش ظرفیت باربری به عنوان لایه های 3 بعدی برای خاکریزی های روی خاک های نرم برای پایداری جمع آوری كننده سنگی لجن ،به عنوان مسلح كننده 

نتیجه گیری:

از همه این مطلب می توان  این چنین نتیجه گیری كرد كه استفاده از الیاف  در آسفالت هزینه اقتصادی کمتری خواهد داشت،و با توجه به نیاز کشور در زمینه های راه و باندهای فرودگاه ،استفاده از آسفالت های الیافی و ایجاد کارخانه های تولید آسفالت های الیافی پیش ساخته كمك شایانی هم در اقتصاد كشور و هم زمینه های ایجاد اشتغال را فراهم خواهد كرد. این در شرایطی است كه الیاف در داخل کشور تولید شود .

در ضمن استفاده از الیاف در آسفالت باعث افزایش عمر مفید و دوام آسفالت و خاکریزی در مقابل عوامل محیطی و بارگذاری می شود ،كه در زمان طولانی این باعث صرف هزینه کمتری خواهد شد.